摘要：敘述了基于ＰＣ機(jī)的激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和其外圍接口特性。

    關(guān)鍵詞：控制  ＣＮＣ  插補(bǔ)原理  計(jì)算機(jī)并口

    激光是２０世紀(jì)６０年代初期興起的一項(xiàng)新技術(shù),由于其具有單色性好,高亮度和方向性好的特點(diǎn),對(duì)各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。而近年來的基于ＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）的激光雕刻機(jī)作為一種機(jī)、光、電、算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品也在市場(chǎng)上出現(xiàn),其應(yīng)用相當(dāng)廣泛,市場(chǎng)需求量很大。由于該產(chǎn)品大部分是由國(guó)外進(jìn)口,其價(jià)格之高,令一般的國(guó)內(nèi)消費(fèi)者難以接受。主要同類產(chǎn)品有日本的ＭＩＭＡＫＩ ＰＲＯ的專業(yè)刻字機(jī),上海長(zhǎng)江匯眾企業(yè)發(fā)展有限公司的長(zhǎng)江激光雕刻機(jī)和北京開天科技公司的ＦＣ－１５型激光雕刻機(jī)等。本文主要介紹激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及主要端口的接口特性。在該激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)中,主要采用基于ＰＣ機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng),通過并口和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī),從而達(dá)到控制工作臺(tái)（或激光束）的走向和速度的目的。

１ 控制軟件的設(shè)計(jì)

1.1 插補(bǔ)原理

    在激光雕刻機(jī)中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)激光雕刻機(jī)的控制,主要采用矢量化的方法將控制分成不同種類的基本矢量,其中包括直線、圓弧、橢圓三個(gè)基本矢量。再利用插補(bǔ)原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)基本矢量的數(shù)字逼近。在激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)中要求能夠達(dá)到較高的速度和精確度,因此控制軟件的計(jì)算不能太復(fù)雜,花費(fèi)的時(shí)間不能太多,這就是使用插補(bǔ)原理的原因所在。在本系統(tǒng)中所采用的為逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法。所謂逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法,即每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行一次比較,使該點(diǎn)在給定軌跡的上方或下方,或在給定軌跡的里面或外面,從而決定下一步的進(jìn)給方向,使之趨近加工軌跡。如此走一步,比較一次,決定下一步走向,逐步逼近給定的軌跡。逐點(diǎn)比較法是以折線來逼近直線或圓弧曲線的,它與規(guī)定的直線或圓弧之間的最大誤差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量,只要將脈沖當(dāng)量（即每走一步的距離）取得足夠小,就可以達(dá)到加工的精度要求。下面以直線為例來說明插補(bǔ)原理。如圖１所示。

    偏差計(jì)算公式假定加工第一象限的直線ＯＡ,取直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)Ｏ,直線終點(diǎn)坐標(biāo)Ａ（Ｘｅ,Ｙｅ）是已知的。Ｍ（Ｘｍ,Ｙｍ）為加工點(diǎn)（動(dòng)點(diǎn)）。若Ｍ在ＯＡ直線上,則根據(jù)相似三角形的關(guān)系有：

    Xm / Ym=Xe / Ye

    取Ｆｍ＝ＹｍＸｅ－ＸｍＹｅ作為直線插補(bǔ)的偏差判別式。

    若Ｆｍ＝０,表明Ｍ點(diǎn)在直線ＯＡ上。

    若Ｆｍ＞０,表明Ｍ點(diǎn)在直線ＯＡ上方的Ｍ′處。

    若Ｆｍ＜０,表明Ｍ點(diǎn)在直線ＯＡ下方的Ｍ″處。

    對(duì)于第一象限直線從起點(diǎn)(即坐標(biāo)原點(diǎn))出發(fā),

    若Ｆｍ＞＝０,沿＋Ｘ軸方向走一步。

    若Ｆｍ＜＝０,沿－Ｘ軸方向走一步。

    當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)(Ｘｅ,Ｙｅ)相等時(shí),發(fā)出到達(dá)終點(diǎn)信號(hào),停止插補(bǔ)。設(shè)在某加工點(diǎn)出現(xiàn)有Ｆｍ＞＝０時(shí),應(yīng)沿＋Ｘ方向進(jìn)給一步,走一步后的坐標(biāo)值為: Ｘｍ＋１＝Ｘｍ＋１, Ｙｍ＋１＝Ｙｍ

    新的偏差為:Ｆｍ＋１＝Ｙｍ＋１Ｘｅ－Ｘｍ＋１Ｙｅ＝Ｆｍ－Ｙｅ

    若Ｆｍ＜＝０時(shí),應(yīng)沿＋Ｙ方向進(jìn)給一步,走一步后的坐標(biāo)值為: Ｘｍ＋１＝Ｘｍ,Ｙｍ＋１＝Ｙｍ＋１

    新的偏差為：Ｆｍ＋１＝Ｙｍ＋１Ｘｅ－Ｘｍ＋１Ｙｅ＝Ｆｍ＋Ｘｅ

    上式為簡(jiǎn)化后的偏差計(jì)算公式�熢诠�式中只有加、減運(yùn)算,只要將前一點(diǎn)的偏差值等于上述的終點(diǎn)坐標(biāo)值。當(dāng)然對(duì)于不同的象限以及不同的矢量插補(bǔ)公式不同,但其基本原理相似,在這里不再贅述。

1.2 對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度的控制

    由于國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率一般為１～２ｋＨｚ,一般步進(jìn)電機(jī)不能一下突變到要求的最大頻率,而在電機(jī)的最大運(yùn)行頻率下也不能立即停止,否則就會(huì)造成電機(jī)的丟步,影響系統(tǒng)的精度。這就需要在程序中有對(duì)電機(jī)的加減速控制,其基本思路如下：

    設(shè)電機(jī)每次步進(jìn)的時(shí)間為ｔ,ｔ與電機(jī)的運(yùn)行速度成反比,當(dāng)電機(jī)處于加速階段時(shí),在電機(jī)的下一步應(yīng)使其時(shí)間為ｔ－洌�，其中洌羰歉鶕�(jù)電機(jī)加速度計(jì)算出的時(shí)間減小量,其計(jì)算方式如下：

    ｎ＝l / δ,δt=t0-t1 / n-l,tsum=n(t0+t1) / 2

其中ｌ為某段距離的長(zhǎng)度,δ為系統(tǒng)的分辨率即最小步進(jìn)距離,n為所走的總瞳數(shù),tsum為所需走的總時(shí)間,t0為初始速度時(shí)每走一瞳所花費(fèi)的時(shí)間,t1為到達(dá)所要求走的距離時(shí)（即達(dá)到最大速度 時(shí)）每走一走所花費(fèi)的時(shí)間,根據(jù)具體的要求我們可以計(jì)算出以各式的值。

    在基于ＰＣ機(jī)的控制系統(tǒng)中,一個(gè)很重要的問題就是如何獲得對(duì)時(shí)間的精確控制。在ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)中�熛到y(tǒng)所提供的時(shí)間函數(shù)只能達(dá)到毫秒級(jí)的精度,很難達(dá)到微秒級(jí)的控制精度。對(duì)于不同配置的ＰＣ機(jī),執(zhí)行相同的語(yǔ)句其時(shí)間也不會(huì)相同。為此我們利用系統(tǒng)提供的ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ（）函數(shù),用包括＿ｎｏｐ語(yǔ)句的循環(huán)來達(dá)到微秒級(jí)的控制精度。下面為具體的實(shí)現(xiàn)方法用法：

    構(gòu)造ＣＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ類：

    在類初始化函數(shù)中實(shí)現(xiàn)每微秒包含＿ｎｏｐ語(yǔ)句循環(huán)數(shù)。

    ｖｏｉｄ ＣＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ：：Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ�煟�

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